CN103502019A - 气体辅助的激光加工 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种气体辅助的激光加工的系统。该系统包括：喷嘴，所述喷嘴将气体射流递送在工件的表面处；和激光源，所述激光源可以将激光束聚焦在工件的表面上。经由气体射流提供反应气体和载气的混合物。反应气体与材料反应并且帮助增强材料的蒸发速率，并且同时帮助降低可以获得增强的蒸发速率的温度。反应气体的使用还帮助减小材料上的残余应力，使在蒸发期间的材料流动最小化，减少再沉积材料，以及消除由于材料去除所形成的凹坑结构上的缘边。

Description

气体辅助的激光加工

相关申请的交叉参考

本申请根据35USC§119（e）要求享有2011年3月22日提交的美国临时专利申请No.61/466,382的优先权，其整个内容在此通过引用而包含于此，用于所有的目的。

对在联邦政府资助的研究或开发下的本发明的权利的声明

美国政府按照美国能源部与用于劳伦斯利弗莫尔国家实验室的操作的劳伦斯利弗莫尔国家安全有限责任公司之间的合同No.DE-AC52-07NA27344具有本发明中的权利。

背景技术

用于金属和其它类型的表面的传统形式的激光加工使用气体将蒸发的材料从正被加工的表面拉走。因而，在常规加工中使用的气体仅仅是被动的，并且对改进/增强加工过程自身的特性没有帮助。

将有益的是提供一种激光加工工艺，其可以使用气体或混合气体来对其进行增强和/或改进。

发明内容

本发明总体上涉及各种表面的加工。具体地，本发明的实施例涉及气体辅助的激光加工，其中气体（或混合气体）用于增强激光加工处理的某些方面和/或改进激光加工处理的某些特性。在特定的实施例中，气体帮助在比由常规方法将需要的温度更低的温度下提高材料的蒸发/蚀刻速率以实现相同的蒸发速率。在处理中所使用的气体的类型和气体的量取决于正被加工/处理的表面或物品的类型。

如本文所使用的气体辅助的激光加工技术可以通过熔融、流动或表面分子弛豫而影响表面光洁度/粗糙度/品质，甚至没有任何显著的蒸发（对于持续加热而言）。可以因为以下原因而出现表面光洁度、粗糙度效应：（a）修改表面化学性质，并且因此修改界面能，例如，界面能越大，对于粗糙表面趋于平滑的趋势越大；（b）修改驱动马兰戈尼流的界面能的温度依赖性；（c）修改局部材料粘度，例如，修改由于与氢气反应所导致的玻璃的OH含量，所述氢气可以在松散材料中扩散和反应；和（d）降低的蒸发温度提高粘度和减少材料流，从而减少缘边形成。

本发明的某些实施例提供一种用于处理工件的方法。该方法包括：提供具有表面的工件。该方法还包括：将气体射流喷射在表面的一部分上。在某些实施例中，气体射流包括反应气体。此后，该方法还包括：将激光束聚焦在表面的所述部分上长达预定的持续时间；和将表面的所述部分加热到第一温度。该方法最后包括：从表面的所述部分去除预定量的材料。

在某些实施例中，所述从表面的部分去除预定量的材料的步骤还包括：通过加热而破坏材料分子之间的键并且由于反应气体与材料之间的反应而蒸发材料。在某些实施例中，该方法还包括：在预定的持续时间终止时，关掉激光束；将气体射流喷射在表面的另一部分上；和将激光束聚焦在表面的所述另一部分上。在特定的实施例中，工件是二氧化硅基光学部件。

本发明的某些实施例提供一种包括将气体射流喷射在工件的表面上的方法。气体射流包括具有高于空气的扩散率的气体。该方法还包括：将具有第一功率的激光束聚焦在表面上长达第一持续时间；将表面加热到第一温度以从表面去除材料；和使用气体使已去除的材料远离表面移走。在实施例中，气体包括氦气。

本系统的实施例提供一种用于处理工件的系统。该系统包括衬底保持器，所述衬底保持器构造成保持具有表面的工件。该系统还包括喷嘴，所述喷嘴定位成与工件相邻并且构造成将气体射流喷射在表面的期望区域上。在特定的实施例中，气体射流定位成与由工件的表面所占据的平面正交。该系统还包括激光源，所述激光源构造成发射激光束，所述激光束可以聚焦在表面的所述期望区域处。在特定的实施例中，激光束在喷射在表面的所述期望区域上之前穿过喷嘴。该系统还包括气体递送机构，所述气体递送机构联接到喷嘴以提供气体射流。该系统构造成将气体射流喷射在表面的所述期望区域上，使用激光束将所述期望区域加热到第一温度，并且从所述期望区域去除预定量的材料。在实施例中，气体射流可以包括氮气、氢气、氦气、空气、水蒸气或它们的组合。

以下详细的说明连同附图一起将提供对本发明的本质和优点的更好理解。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的用于执行气体辅助的激光加工的系统；

图2示出具有相对应的空间温度曲线的凹坑（pit）结构的型面，其由于根据本发明的实施例的工件激光加工所形成；

图3是示出根据本发明的实施例的、各种气体的蒸发速率（R）与气体体积流量的依赖性的图表；

图4示出根据本发明的实施例的、各种气体和混合气体对熔融二氧化硅的蒸发速率的影响；

图5A是示出图4的100%氮气和空气中的蒸发数据的图表，所述蒸发数据重新绘制为根据本发明的实施例的在每种气体（或混合气体）中的这些蒸发速率（R）的比；

图5B示出根据本发明的实施例，相对于在空气中的蒸发，在用于100%氮气中蒸发的蒸发部位附近的气体中的平衡SiO2蒸发产品SiO；

图6是根据本发明的实施例的用于处理表面的过程的流程图；

图7是根据本发明的另一个实施例的用于处理表面的过程的流程图；和

图8示出根据本发明的实施例的本文所使用的激光加工技术对缘边结构的影响。

具体实施方式

本发明的某些实施例提供用于使用激光和一种或多种气体加工各种表面的技术。在某些实施例中，本文所使用的技术使用激光加热正被加工的表面或表面的区域。气体或混合气体与激光束协同使用以控制蒸发速率、蚀刻特征、表面形状和再沉积到正被加工的表面上的材料的量。在特定的实施例中，气体射流与激光束重合。

本发明的另一实施例提供一种用于执行气体辅助的激光加工的系统。该系统包括：激光源；气体递送系统，其用于将气体递送到正被加工的区域；诊断设备，其执行加工处理的现场监测；材料去除子系统；和气体源。

激光可以用于各种加工活动，例如，钻孔、切割、从一种材料去除另一种材料的涂层、标记/雕刻、表面抛光/变平滑，等等。本发明的实施例涉及使用激光从物品的表面去除材料。另外地，本发明的实施例可以在不去除材料的情况下用于材料融化、流动或表面抛光。然而，本文所公开的技术可应用于激光加工的任何其它应用。具体地，以下说明的实施例涉及从熔融二氧化硅基光学部件去除材料。本领域的技术人员将认识到，本文所公开的技术可等效地应用于金属、陶瓷和其它类型的材料的激光加工。

在许多工业应用中使用二氧化硅，例如在耐火内衬、光纤、光学衬底中的原材料，并且通常，例如在需要惰性和韧度的装置中的部件。然而，二氧化硅难以处理。在玻璃工作点（～2400°K）以上的高温用于模制熔融二氧化硅，而对于二氧化硅的化学蚀刻需要非常活性的反应组分（very reactive species）。此外，二氧化硅的处理性能中的许多性能直接依赖于温度。尤其，二氧化硅的蒸发蚀刻使用例如3000°K的接近二氧化硅的沸点的极限温度。这样的温度对于在环境条件下加工是不实用的。对于在空气中使用局部加热来加工玻璃的应用中，这些高温要求经常导致不必要地增大残余应力、缘边结构的形成和玻璃的再沉积缺陷。用于材料去除的处理温度的降低通过减少和/或消除这些不必要的因素而大大地改进热处理。在本发明的一个实施例中，激光驱动的二氧化硅分解产物的蒸气压力通过使用反应气体而升高以辅助蒸发。

迄今为止，从来没有执行在二氧化硅的沸点附近的二氧化硅特性的系统研究，这是因为大多数的容纳器具在约2000°K以上退化。此外，这样的处理由于已加热的材料的高黑体辐射背景和高通量两个原因而难以原地测量。本发明的实施例提供这样的技术，即，所述技术用于在气固界面处激光加热表面以达到高达3100°K的表面温度，并且在二氧化硅的蒸发动力学上使用所选择的气体反应性来控制和/或改进蚀刻处理。在本发明的某些实施例中，在激光加工处理中所使用的气体包括空气、水蒸气（例如，湿空气）、100%氢气、5%氢气和95%氮气的混合物、100%氮气、100%氦气、氢气和氦气的混合物以及它们的组合。在某些实施例中，可以在氧化、还原或惰性气氛中执行蚀刻。

传统的激光加工依赖基于激光的材料蒸发且依赖在接近于热表面的努森（knudsen）层内逃脱的组分的速度。然而，传统的技术不包括与反应气体的任何化学反应或从存在的气相产物的蒸发反应平衡的任何偏移。另外地，在传统的技术中，用于材料去除的气体在蒸发处理期间不与材料直接反应。本发明的实施例提供一种在边界层内呈现近平衡的状态的基于激光的蒸发技术，在所述边界层处发生组分浓度的变化的大部分。在气固界面附近的平衡浓度建立起驱动力，用于在混合和去除大量气流之前的边界层内的扩散传输速率。边界层厚度则取决于气体性能、流量和流动配置，并且经由质量传递系数确定传输动力学，h_m～D/δ，其中，D是气体组分扩散率，并且δ是边界层厚度。在某些实施例中，用于本文所使用的方法的基于激光的蒸发速率可以通过确定h_m和平衡常数K_p而得到，从h_m和平衡常数K_p可以计算平衡浓度。

本发明的实施例提供用于基于激光的加工的方法，在所述基于激光的加工中添加特定的气相成分以在加热材料期间增强蒸发的处理。在其它实施例中，气相成分还可以帮助表面变平滑和帮助表面材料流动。气体选择成使得降低材料的蒸发温度和减少沉积在材料中的激光能，由此减小材料上的应力。

通过使用本发明的实施例实现许多优点。例如，本文所使用的技术对于给定的材料蒸发速率而言降低蒸发温度，并且因而可以在降低的温度下执行材料的蚀刻。这降低如由材料的温度所表达的激光沉积能量，随之相对应减小的材料结构改进帮助减小应力和材料冷却之后的残余应力并且延长材料寿命，而同时减小材料在故障的情况下将破坏（例如，由于更小的应力场而减小的断裂规模）的程度，并且还帮助减少材料流。另一个优点在于，对于与常规方法相比的期望的蚀刻速率，需要减少的激光能来蒸发/蚀刻材料。另外地，本文所公开的技术还帮助减少表面上的明显再沉积的材料的量，因而减少所加工的表面的结构缺陷和光学缺陷。另外地，在激光蒸发处理期间使用的反应气体减少或甚至消除由于在加热的部位边缘处的马兰戈尼流所导致的边缘形成和曲率。这帮助保护具有较少的部件的较平坦的表面，所述较少的部件当材料用于在光学应用中使光转向时可以用于加强传播的光。可以对于例如金属、陶瓷等的其它材料获得类似的表面拓扑结构和过程改进。

本发明的以下实施例主要参照熔融二氧化硅基材料说明。然而，将应理解，以下说明的实施例也可等效地应用于其它类型的材料，例如，金属、陶瓷，等等。

图1是根据本发明的实施例的用于执行气体辅助的激光加工的系统100的示意图。系统100包括激光源102，其发射激光束104。激光束104可以使用聚焦透镜108聚焦在工件106的一部分上。喷嘴110定位成使得激光束104穿过喷嘴，以便喷射在工件106上。喷嘴110操作地联接到气体流量控制器112和气体源114。可选的红外照相机116或其它成像装置可以定位成使得可以在几乎实时的条件下监测蚀刻处理。在某些实施例中，工件106可以是熔融二氧化硅基光学部件。激光源102可以是连续波（CW）红外激光或任何其它适当的激光。在某些实施例中，由激光源102所输出的能量是约20W，并且激光束104具有介于4μm和12μm之间的波长。

喷嘴110包括激光窗（未示出）以允许激光束104穿过喷嘴，而同时还迫使流通过供激光离开的喷嘴前开口。在某些实施例中，喷嘴110可以在一个端部上具有3mm的开口，用于分配气体或混合气体。气体射流与工件106的表面垂直/正交地喷射，并且在开始激光加热之前通过使周围空气在工件106的表面处移动而较好地越过加热部位的边界浸没工件106的处理区域。激光束穿过安装在喷嘴110的背面上的透明激光窗并且聚焦在工件106的表面上。气体（或混合气体）经由喷嘴110递送到工件106的表面。在一个实施例中，喷嘴110具有侧面开口以接收来自气体源114的气体。可以使用照相机116对在蒸发处理期间所发射的黑体辐射红外成像而获得温度测量。蒸发的二氧化硅的量可以从通过遵循表面处理的干涉测量所获得的表面形状轮廓确定。在某些实施例中，气体源114可以包括压缩气缸或中央供气柜。在某些实施例中，所使用的气体可以包括干空气（78%氮气，21%氧气，1%追踪气体），100%氮气，5%氢气+95%氮气，5%氢气+95%氦气，100%氢气和100%氦气。气体流量控制器112可以用于设定气体的体积流量，其可以是0.2L/min至约10L/min的范围。在某些实施例中，气体在激光照射工件106之前开始流动以确保从气体递送管路去除所有死体积和确保工件106的表面气体浸没处于稳定状态。

在实施例中，激光源102可以是发射激光束104的二氧化碳（CO₂）激光，所述激光束104具有介于10μm与12μm之间的波长，具有20W的最大输出功率，并且具有在照射的持续时间上约1%的功率稳定性。激光束104的直径可以是约1mm。递送到二氧化硅工件106的表面的激光功率可以介于6.5W与7.2W之间。在某些实施例中，激光束104可以每次喷射在工件106上长达约5秒。当激光束104喷射在工件106的表面上时，表面的温度升高，由此使在激光束104喷射的位置处和/或附近的材料蒸发。这导致在材料106的表面上形成凹坑。

图2示出使用系统100通过激光蚀刻导致的凹坑的凹坑型面。如可以从图2看到，凹坑深度d在一定程度上与表面温度T（K）成比例。在3000°K以上所执行的蒸发产生更深的凹坑。另外地，当凹坑的纵横比（深度比宽度）接近于大约1时，随着菲涅耳反射率增大，净激光能量吸收趋向于降低。介于2000°K与2500°K之间的温度产生较浅的凹坑，对于所述较浅的凹坑而言二氧化硅的热感应致密化对凹坑深度的影响会是显著的。所得到的表面凹陷是可与由于蒸发所导致的表面凹陷区分出来的，所得到的表面凹陷可以是深达100nm或总凹坑深度约10%或更大。在2100°K以下，凹坑深度由二氧化硅紧密度决定。在某些实施例中，蒸发温度设定在2000°K与3100°K之间。

依赖温度和成分的蒸发速率R（T，C_i）可以基于例如如图2中所示的深度曲线的测量而推断出，这是由于蒸发速率R（T，C_i）与通过蒸发所去除的材料量相关。该方法推导出R的准确度取决于以下假设，即，在特定位置处的深度仅是由于蒸发处理，而不是由于爆发沸腾所驱逐的熔化的二氧化硅或材料的流动。这在具有最大凹坑深度的凹坑中心处是真实的，这是因为在中心处流动位移的二氧化硅对总深度有较小的贡献。与热毛细流动的表面垂直的流速ν_f可以大致约等于

ν_f=（dγ/dT）ΔT/μ    （1）

其中，dy/dT表示表面张力的变化速率，温度ΔT是从凹坑的中心到凹坑的边缘的温度降低（图2），并且μ是取决于温度的动态粘度。因而，在凹坑的中心处，所计算出的热毛细流动对二氧化硅的总位移的贡献ν_f×ΔΤ对总凹坑深度的贡献不超过2%。

另外，与气体流量相关联的通过拖动（drag）去除的材料量是非常低的，这是因为气体在大气压力下缺乏惯性并且表面速度较小，例如，<25m/s。在固体中的成型激光所产生的腔体中，蒸气诱导的剪切力和反冲压力的贡献可忽略地影响对于较慢的蒸发条件所产生的腔体轴向深度。没有一个表面轮廓显示凹坑内变粗糙，所述变粗糙将通常在已经发生爆发沸腾的情况下出现，并且辐照度远低于相爆阈值，例如，10¹¹W/cm²。因此，在轴向深度d唯一地归因于该位置处的材料蒸发时，温度依赖性的蒸发速率的测量通过以下给出

R（T_P）～ρ′d/Δt，    （2）

其中，ρ是熔融二氧化硅密度，Δt涉及激光照射时间，并且T_P是在凹坑的中心处所测量的峰值温度。使用中心深度d，这是因为该光斑的位置可以容易地从表面和温度空间曲线得到。此外，对该位置的分析的约束包含由高斯型激光束的非均匀加热所引起的任何不明确性。在一个实施例中，有效的照射时间Δt可以是约4秒，这是由于对于在热扩散率D=8×10^-7m²/s下逼近峰值温度所需要的热扩散时间是大约α²/D=0.98秒，其中，α是光束直径。所得到的基于用于降低温度所推测的时间积分的实验室蒸发速率的误差<底部凹坑深度的3%。因此，在有效的照射时间内的较小变化δ将具有可忽略的影响。峰值温度在对于大于热扩散时间的照射持续时间而言恰好在激光关掉之前所达到的最终峰值温度的5%以内，并且可以随着来自工件的热损失平衡掉来自激光加热的加热输入而在由D所确定的速率下渐近地增加。

在某些实施例中，蚀刻/蒸发速率可以取决于处理是有限传输还是基于反应动力学控制，或是取决于二者。如果蒸发速率有限传输，则质量传递系数（h_m）和反应平衡常数（K_p）是控制参数。如果蒸发速率不是有限传输，则用于蒸发和冷凝反应的速率常数是控制参数。如果蒸发速率（R）不依赖于气体的流量，则可以认为蒸发处理不是有限传输。图3是示出蒸发速率（R）对各种气体的流量的依赖性的图表。

如可以从图3看到，例如，在约2880°K的固定温度下，随着气体流量增大，蒸发速率也增大。另外，蒸发速率还取决于所使用的气体的类型。例如，如图3中所示，对于l0L/min的固定流量而言，在使用100%氢气的情况下的蒸发速率明显高于在空气用作气体的情况下的蒸发速率。如图所示，在蒸发速率与正使用的气体的流量之间有相关性。然而，气体流量不仅是用于蒸发速率的控制参数。蒸发速率还取决于正使用的气体的类型。如可以从图3看到，对于给定的流量而言，使用100%氢气所导致的蒸发速率明显高于使用100%氮气或空气所导致的蒸发速率。这部分地由于氢气的反应性质。从边界层传输出来的材料限制了蒸发速率R，这是由于在纯氮气和空气中不存在气相反应物。

在处理的表面是二氧化硅基的特定实施例中，所使用的气体的类型显著地影响蒸发速率。图4是示出二氧化硅基材料的蒸发速率对所使用的气体的类型的依赖性的图表。图4的结果示出尤其纯氮气、具有5%氢气的氮气和具有5%氢气的氦气对蒸发速率的影响。本领域的技术人员将认识到，图4仅是示例性的，并且材料和/或所使用的气体的类型改变将对蒸发速率有不同的影响。在某些实施例中，由于氢气而减少的二氧化硅所导致的蒸发速率大于当使用100%氮气在惰性气氛中执行蒸发处理时的蒸发速率。另外地，100%氮气所导致的蒸发速率大于在作为氧化环境的空气中的蒸发速率。此外，氢气的使用允许对于与周围空气条件相比产生相同的蒸发速率所需的100°K至200°K的处理温度降低。

在图4中所示的温度下发生的主要吸热反应可以通过以下给出

${\mathrm{SiO}}_2\left(1\right)\&LeftRightArrow;\mathrm{SiO}\left(g\right)+1/2O_2\left(g\right)---\left(3\right)$

${\mathrm{SiO}}_2\left(l\right)+H_2\left(g\right)\&LeftRightArrow;\mathrm{SiO}\left(g\right)+H_{2}O\left(g\right)---\left(4\right)$

反应（3）是当使用图4中所示的气体中的任一种时所发生的主要分解反应。反应（3）表示在一个示例中破坏二氧化硅的键的热影响。次要反应（4）仅当气体混合物中添加有氢气时发生。氢气的添加为二氧化硅的蒸发提供额外的途径，这在存在有氢气的情况下通过增大的蒸发速率确认，如图4中所示。在蒸发处理期间存在的氧气也影响蒸发速率。由于氧气的存在，在空气中的蒸发与在纯氮气中的蒸发相比降低。其次，作为反应（3）的副产物的氧气通过使反应（3）的平衡反向移动而减慢蒸发。随着蒸发温度升高，在反应期间所释放的氧气量也增加，由此进一步减慢蒸发速率。

如可以从图4看到，对于纯氮气以及对于氢气和氮气的组合而言，蒸发速率R在例如在～2900°K以上的较高温度下变成次线性的，如由箭头和虚线所指示。蒸发速率R的变化在空气中较不明显，这是因为空气中已经存在有较高数量的氧气（约21%）。因而，在空气中，在以上反应（3）中所产生的氧气不显著地改变如由R的线性度所指示的总氧气浓度，直到达到最高温度。如果从赫兹-努森等式预测到最大蒸发速率，

R=P_sat（T）/√（2πmk_BT）    （5）

其中，P_sat是反应（3）中的SiO的蒸气压力，m是分子量，并且k_B是玻耳兹曼常量，则预测的速率与图4中所示的速率相比，可以看到，预测的速率高了2至3个数量级。例如，如图3中所示的某些取样的预测速率在2850°K的温度下是9×l0^-4μg/m²/s，并且在2620°K的温度下是1.5×l0^-4μg/m²/s。这是因为赫兹努森模型不考虑用于使用上述气体的处理的质量传输极限的α先验值（priori）。而且，图4中的对照的温度依赖性和斜率反映了以下事实，即，赫兹努森公式从气体分子运动论推导，其衡量作为1/√T的逃逸速度，而对于本文所使用的实施例而言近平衡的温度依赖性取决于蒸发处理的热力学并且在较小程度上取决于传输动力学的温度依赖性。

在实施例中，氦气可以代替氮气而与5%的相同氢气成分一起用作载气。因而，在该实施例中的气体组合将是95%氦气和5%氢气。因为氦气中的气相扩散率大于氮气中的气相扩散率，所以氦气中的蒸发速率R的量级大于氮气中的蒸发速率R的量级。在质量传输是有限的传输机制的情况下在氦气中产生更大的h_m和R。如图4中所示，当氦气用作载气时，观察到R增大。因而，在某些实施例中，如本文所述的基于激光的蒸发的过程是有限的质量传输。在有限的传输方案中，摩尔蒸发速率可以近似作为质量传递系数h_m和平衡SiO浓度[SiO]_eq的函数。因而，对于给定的自由产物的气体进给，蒸发速率可以确定为

R～h_m[SiO]_eq    （6）

为了执行图4中所示的蒸发速率的定量分析，有用的是基于温度依赖性反应平衡常数（K_p）计算平衡组分浓度。反应平衡常数（K_p）通过以上反应（3）和（4）的自由能给出。

K_p=exp（-ΔG_i°/R_cT）    （7）

其中，R_c是气体常数，并且T是用于反应i的温度。因而，对于总系统而言，反应平衡常数可以确定为

K_p1（T）=（（n_i-sio+ξ+α）/n_T）*（（n_i-O2+1/2ξ）/n_T）^0.5*P^3/2    （8）

K_p2（T）=（（n_i-h2-α）/n_T）^-1*（（n_i-sio+ξ+α）/n_T）*（（n_i-H2O+α/）n_T）+Ρ    （9）

圆括号中的术语表示摩尔分数，P是该系统中在1atm下得到的总压力，n_i是初始组分的摩尔数量，α和ξ是用于每个反应的反应程度，n_T表示基于n_i、α和ξ所计算出的总摩尔数，并且标准自由能ΔG°在本技术领域中是通常已知的，并且可以在热力学数据库中找到。

图5A是示出图4的蒸发数据的图表，所述蒸发数据重新绘制为根据本发明的实施例的在每种气体中的蒸发速率R的比。图5A中的数据可以直接比较所计算出的平衡浓度或者等效地比较摩尔分数。所暗示的近似法是合理的，即，h_m（在空气中）约等于h_m（在N₂中），这是因为所选择的气体使氮气作为其主要成分，氮气在总气体的80%至100%的范围上，从而期望气体混合物的传输性能是类似的。图5B示出用于氮气中的蒸发的实验室R比相对于空气的比较，两条曲线根据本发明的实施例表示从等式（8）和用于反应（3）的ΔG°所计算出的比，ΔG°从两个源所报告。在图5B中提供相对应的计算出的平衡SiO摩尔分数，从ΔG°确定预测值。然而，预测值符合在较高温度下的数据，在较低温度下在如由图5B中的虚线所示出的两个预测值之间略有不符。然而，不符是在数据中的延展内，并且因而不在材料内。

在混合气体中使用氢气的实施例中，在实验室R比对所计算出的R比（例如，H₂混合物对纯N₂）中有差异。使用最初5%的氢气分数，所计算出的氢气浓度部分地与分别在从2600°K至3000°K的温度范围的0.5%和2.5%之间的值相称。氢气的质量传输足够快以维持大量的氢气浓度贯穿气固界面，在该处在反应（4）中正消耗所述氢气。这是符合于以下发现，即，产品的传输而不是反应物的传输是速率限制的。因而，固定的5%氢气浓度连同推导出的ΔG°一起可以用于确定R和用于计算预测比。与图5A中的R_N2（T）/R_air（T）比形成对照，R_H2（T）/R_N2（T）比大于预测值，并且在较高的温度下被改善，在所述较高的温度下用于近平衡的条件更加接近于作为用于空气/氮气的情况。所计算出的R_H2（T）/R_N2（T）比大于来自等式（8）至（9）的预测值的事实指示，氢气中的蒸发速率相对于纯氮气中的蒸发速率比期望的更大。一个原因在于，氢气也与由反应（3）所产生的氧气反应，由此向前推动反应以产生大于期望的氢气中的二氧化硅蒸发速率。氢气既可以直接与二氧化硅反应（例如，反应（4）），也可以与第三反应中的氧气反应以形成水蒸气（例如，H₂（g）+1/2O₂（g）=H₂O（g））。也可以在反应（3）中同时地发生二氧化硅的热分解。当氢气用作混合气体中的反应气体时，所有这些不同的反应导致更大的蒸发速率。

绝对值R的完整表达式不但包括确定平衡SiO浓度，而且包括确定由h_m表达的质量传输动力学。h_m可以通过使两个过程变量拟合而从数据提取，R依赖于所述两个过程变量，例如，温度和流量。等式（6）现在可以写为

R（T，V）=h_m（T，V）′[SiO]_eq（T）    （10）

其中，V是气体体积流量，并且[SiO]_eq（T）对于每种气体从拟合反应自由能确定。为此，使用边界层近似法说明传输动力学的广义表达式是有用的。典型地使用的是无量纲的舍伍德数Sh和施密特数Sc，所述Sh与雷诺数Re有关，Sh限定成使得

Sh=h_mL/D=f（Sc=μ/ρD，Re=ρVL/μ）    （11）

其中，L是特征长度（看作光束直径），μ是动态粘度，D是组分扩散率，并且ρ是气体密度。所有温度依赖性气体性能可以从（a）和（b）计算出：（a）可用数据和经验模型以推断出粘度、扩散率；（b）来自用于密度的理想气体定律。对于h_m的特定形式的经验表达式通过以下给出：

Sh=C*Sc^m*Reⁿ    （12）

其中，C、m和n表示单组可用于本文所使用的所有气体的拟合参数。

因而，使用确定的h_m和从K_p所计算出的平衡浓度，可以确定二氧化硅的基于激光的蒸发特性，这考虑到温度依赖性气体性能、气相反应物的反应的热力学和在流动系统中的质量传输配置。本文所使用的方法可应用于广泛范围的材料，所述材料暴露于用激光加热的稳定状态和暴露于具有所选的反应性的气体。如上所述，基于激光的蒸发是有限的质量传输的处理，并且因此依赖于通过自由能的热力学反应。本文所使用的技术可以能够衍生出在极限温度下的气相-固相反应物的热力学性能，条件是进行蒸发速率和温度的准确测量。本发明的技术还可以帮助理解特定气体在反应性蚀刻期间与固体相互作用的机制，并且可以通常改善热蚀刻处理的控制。

在某些实施例中，在蒸发处理期间添加的某些气体可以显著地帮助增强如上所述的蒸发处理。在特定的实施例中，气体射流可以与工件的表面垂直地喷射。气体射流在开始蒸发/蚀刻处理之前喷射，以便通过使周围空气在正被处理的表面处移位和替换而使正被处理的表面的所述部分较好地越过加热部位的边界而浸没在气井中。激光束穿过喷嘴并且聚焦在工件表面的一部分上。激光照射时间和表面温度可以通过控制激光脉冲长度、激光功率水平、激光操作模式、射束形状等和气体成分而控制。在某些实施例中，激光照射时间可以在功率达到20W的情况下介于0.5秒至约5秒之间。

如上所述，各种气体或它们的组合可以用于浸没正被处理的表面。具有5%氢气（或例如一氧化碳（CO）、氟化氢（HF）的任何其它还原气体，某些有机化合物，等等）和例如氮气或氦气的载气的混合物的使用与周围空气相比蒸发速率增大了5-10倍（fold）。在其中使用100%氢气的实例中，蒸发速率在给定的温度和传输条件下可以相对于空气额外增大了10倍。另外地，在低于对于周围空气所需要的温度的温度下实现蒸发速率的增大。如上所述，去除的速率依赖于所使用的气体或混合气体的类型和在待处理的表面处或附近产生给定混合气体的环境类型。与氮气相比，氦气的使用增大了蒸发速率，这是由于相对于诸如氮气的其它载气，氦气的产物和/或反应物的扩散率更大，因而通过在正被处理的表面附近的边界层阻力而增大质量传输。类似地，使用还原气体与使用惰性气体或氧化气体相比增大蒸发速率，这是因为由还原剂所导致的额外的固体二氧化硅反应途径增大了在表面附近的边界层内的蒸发产物气体浓度，因而增大了通过边界层的驱动力（浓度梯度）和散布的质量传输。

另外地，使用本文所描述的技术减少可以再沉积到正被处理的表面上的小颗粒物量。为此的一个原因是由于已去除的材料的大部分通过对流运输被迅速地从正被处理的表面运走，留下非常少量的可以再沉积到已处理的表面上的材料。而且，表面化学中的气体感应性变化可以更容易地再熔化表面上的再沉积材料而产生较不粗糙的表面。

图6是使用根据本发明的实施例的本文所描述的技术中的任一个用于处理表面的过程600的流程图。可以使用例如系统100执行过程600。

最初，提供工件（602）。在实施例中，工件可以是二氧化硅基光学部件。此后，气体射流喷射在工件的表面上（604）。在某些实施例中，气体射流可以包括还原气体和载气的混合物。然后，激光束聚焦在表面的区域上长达预定的持续时间（606）。在某些实施例中，气体射流和激光束是重合的。随后，表面的所述区域被加热到第一温度（608）。在某些实施例中，第一温度可以介于2000°K和3100°K之间。温度的升高导致破坏二氧化硅材料的键，并且气体与二氧化硅材料反应以使材料如上所述蒸发（610）。在预定量的材料去除之后和/或在已经经过预定的持续时间之后，激光束被关掉（612）。此后，激光束聚焦在表面的另一个区域上（614），并且重复该过程。

将应当理解，图6中所示的具体步骤提供一种根据本发明的实施例处理表面的特定方法。根据可替代的实施例还可以执行其它的步骤顺序。例如，本发明的可替代的实施例可以以不同的次序执行以上概述的步骤。在某些实施例中，可以完全没有重要的材料蒸发/去除步骤（即，没有步骤610）而是使材料熔化和回流以提供用于更平滑的表面光洁度。此外，图6中所示的各个步骤可以包括多个子步骤，所述多个子步骤可以根据对各个子步骤的理解以各种顺序执行。此外，可以依据特定应用而添加或去除额外的步骤。本领域的技术人员将认识到许多变型方案、修改方案和可替代方案。

图7是用于根据本发明的实施例激光加工表面的过程700的流程图。可以例如通过图1的系统100执行过程700。

提供具有表面的工件（702）。气体射流喷射在待被处理的表面的一部分上（704）。气体射流包括具有高于空气的扩散率和/或轻于空气的气体，所述气体例如是氦气。然后，使用激光束将表面的所述部分加热长达预定的持续时间（706）。随着材料从表面去除，气体射流帮助将已去除的材料从表面运走。在经过预定的持续时间之后，激光束关掉（708）。

将应当理解，图7中所示的具体步骤提供一种根据本发明的实施例处理表面的特定方法。根据可替代的实施例还可以执行其它的步骤顺序。例如，本发明的可替代的实施例可以以不同的次序执行以上概述的步骤。此外，图7中所示的各个步骤可以包括多个子步骤，所述多个子步骤可以根据对各个子步骤的理解以各种顺序执行。此外，可以依据特定应用而添加或去除额外的步骤。本领域的技术人员将认识到许多变型方案、修改方案和可替代方案。

在实施例中，本文所公开的技术可以用于使二氧化硅基光学部件的破坏减缓。与激光协力使用的二氧化硅基光学部件由于长时间暴露于激光能量密度而遭受光学破坏。尤其，诸如透镜、窗等的光学部件当暴露于高功率、高能的激光照射时倾向于损坏。所有光学材料将在足够高的激光强度下通过光学材料所固有的过程最后损坏。这种固有的光学损坏是由于通过多光子电离而高能沉积，并且通过材料的大量电子结构所确定。这种损坏通常在超过200GW/cm²的强度下发生。然而，实际上，甚至最高品质的光学部件也会在远低于其固有损坏阈值的能量密度下损坏。

在二氧化硅基光学部件的表面层附近的感光性的杂质可以吸收高强度光，因而将来自光束的能量转移到光学部件的表面附近，升高了局部温度。如果激光束强度和吸收强度的组合足够大，则少量的局部等离子体可以在光学部件的表面上点火。这种等离子体可以自身从光束吸收能量，进一步提高局部温度，直到光脉冲终止结束为止。物理上，损坏是包括熔化的材料、喷射物和热感应断裂在内的等离子体的表现形式。这导致表面凹坑，由此使光学部件退化。本文所描述的技术可以用于处理这样的光学部件的损坏部位。

例如，包括还原气体的气体射流可以喷射在损坏的光学部件的表面上，并且施加激光束以从损坏的区域去除材料，并且通常使损坏的区域变平滑。对于这样缓解损坏的区域，每个光学部件都具有一定的宽容度。然而，如参照以上图2所述，这样的激光消融损坏修理在损坏部位处产生凹坑。通常，与这种凹坑结构相关联的缘边可以是光学畸变和光强化的源；因此，有益的是具有非常小的型面、较小的凸出缘边或完全没有缘边，以减少任何光聚焦。由于材料熔化和流动（例如，由于马兰戈尼流）和/或材料在损坏部位处再冷凝而产生缘边。然而，通过使用本文所公开的技术，如可以参见图2，可以大大地减少或消除凹坑的缘边，由此消除可能的光学畸变和光学诱导损坏的源。边缘的消除因为去除材料所需要的温度低于常规方法而实现，这样减小材料流过较高的粘度和马兰戈尼驱动流的可能性，并且由于材料的大部分通过气体射流从表面运走，所以留下较少的可以再沉积在表面上的材料，而可以再沉积在表面上的材料可以潜在地有助于缘边结构或其粗糙度。

图8示出根据本发明的实施例的本文所使用的激光加工技术对缘边结构的影响。如图8中所示，对于相同的蒸发水平（即，凹坑深度）而言，使用5%氢气和95%氮气的气体混合物，没有观察到明显的缘边，而在周围空气中，观察到围绕凹坑的约0.2μm的缘边。应当注意到，对于相同的蚀刻水平而言，在5%氢气的气体条件下没有测量到缘边和再沉积物，而同时实现二氧化硅中所吸收的能量的减少。

还应理解，本文所使用的示例和实施例仅用于示出的目的，并且鉴于其的各种修改或改变将由本领域的技术人员建议并且将包括在本申请的精神和权限内和所附权利要求的范围内。

Claims (21)

1.一种方法，该方法包括：

提供具有表面的工件；

将气体射流喷射在所述表面的一部分上，所述气体射流包括反应气体；

将激光束聚焦在所述表面的所述部分上长达预定的持续时间；

将所述表面的所述部分加热到第一温度；和

从所述表面的所述部分去除预定量的材料。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述气体射流和所述激光束是重合的。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述从所述表面的所述部分去除所述预定量的材料的步骤还包括：

通过加热而破坏所述材料的分子之间的键；和

通过所述反应气体与所述材料之间的反应而使材料蒸发。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在所述预定的持续时间终止时，关掉所述激光束；

将所述气体射流喷射在所述表面的另一部分上；和

将所述激光束聚焦在所述表面的所述另一部分上。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述工件包括二氧化硅基材料。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述反应气体包括还原气体。

7.根据权利要求6所述的方法，所述还原气体包括氢气、一氧化碳、水蒸气或氟化氢中的一种或多种。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述气体射流还包括载气。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述载气包括氮气或氦气中的至少一种。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预定的持续时间介于0.5秒至5秒之间。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一温度是在2000°K至约3100°K的范围内。

12.一种方法，该方法包括：

将气体射流喷射在工件的表面上，所述气体射流所包括的气体的扩散率高于空气的扩散率；

将激光束聚焦在所述表面上长达第一持续时间，所述激光束具有第一功率；

将所述表面加热到第一温度以从所述表面去除材料；和

采用所述气体使已去除的材料远离所述表面移动。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述气体包括氦气。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，在将所述激光束聚焦在所述表面上之前，将所述气体射流喷射在所述表面上。

15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述工件包括二氧化硅。

16.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一功率大约是20W，并且所述第一持续时间介于0.5秒至5秒之间。

17.一种系统，该系统包括：

衬底保持器，所述衬底保持器构造成保持具有表面的工件；

喷嘴，所述喷嘴定位成与所述工件相邻并且构造成将气体射流喷射在所述表面的期望区域上，所述气体射流定位成与由所述工件的所述表面所占据的平面正交；

激光源，所述激光源构造成发射激光束，所述激光束能够聚焦在所述表面的所述期望区域处，其中，所述激光束在喷射在所述表面的所述期望区域上之前穿过所述喷嘴；

气体递送机构，所述气体递送机构联接到所述喷嘴以提供所述气体射流，其中，所述系统构造成：

将所述气体射流喷射在所述表面的所述期望区域上；

使用所述激光束将所述期望区域加热到第一温度；和

从所述期望区域去除预定量的材料。

18.根据权利要求17所述的系统，还包括温度传感器，所述温度传感器构造成在所述材料正被去除的同时连续地监测所述期望区域处的温度。

19.根据权利要求17所述的系统，其中，所述气体射流包括氮气、氢气、氦气、空气、水蒸气或它们的组合。

20.根据权利要求17所述的系统，其中，所述气体射流包括5%氢气和95%氮气的混合物或5%氢气和95%氦气的混合物中的一种。

21.根据权利要求17所述的系统，其中，所述激光源包括红外线激光器。

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